Numerische untersuchungen der grenzabmaße

Numerische Untersuchungen der Grenzabmaße enossaler dentaler Implantate Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Hohen Medizinischen Fakultät der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Maria Ait Lahrach aus Beni Mellal/Marokko 2014 Angefertigt mit Genehmigung der Medizinischen Fakultät der Universität Bonn Gutachter: Prof Dr rer nat Christoph Bourauel Gutachter: PD Dr Friedhelm Heinemann Tag der Mündlichen Prüfung: 22.10.2014 Aus der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik, Propädeutik und Werkstoffwissenschaften der Universität Bonn Direktor: Prof Dr med dent Helmut Stark -Stiftungsprofessur für Oralmedizinische TechnologieProf Dr rer nat Christoph Bourauel Meinen Eltern Meinem Mann Inhaltsverzeichnis Einleitung und Literaturübersicht 1.1 Einleitung 1.1.1 Einführung in die Fragestellung 1.2 Literaturübersicht 10 1.2.1 Der Alveolarknochen als Implantatlager 11 1.2.1.1 Anatomische Grundlagen des Alveolarknochens 11 1.2.1.2 Knochenquantität und –qualität als entscheidender Faktor für die Implantatverankerung 12 1.2.1.3 Biomechanik des Knochens 14 1.2.2 Dentale Implantologie 15 1.2.2.1 Geschichte der Dentalimplantologie 16 1.2.2.2 Implantateinheilung und Primär-/Sekundärstabilität 18 1.2.2.3 Implantatbelastung 20 1.2.2.4 Biomechanische Wirkung enossaler Implantate auf den periimplantären Knochen 1.2.2.5 23 Einfluss von Länge und Durchmesser des Implantats auf die Spannungsund Verzerrungswerte im Knochen 24 1.2.2.6 Kurzimplantate 24 1.2.2.7 Miniimplantate 26 Fragestellung und Ziele vorliegender Studie 28 Material und Methoden 29 3.1 Verwendete Implantate für die Untersuchungen 29 3.1.1 Implantat-Prototypen 29 3.1.2 Kommerzielle Implantate 30 3.2 Finite-Elemente-Methode 32 3.3 Erstellung der numerischen Knochenmodelle 34 3.4 Erstellung der Finite-Elemente-Modelle der Implantat-Prototypen 35 3.4.1 Vergleichsgruppe 1: Kurzimplantat-Prototypen 35 3.4.2 Vergleichsgruppe 2: Miniimplantat-Prototypen 36 3.5 Erstellung der Finite-Elemente-Modelle der kommerziellen Implantate 36 3.5.1 Vergleichsgruppe 3: Kommerzielle Kurzimplantate 37 3.5.2 Vergleichsgruppe 4: kommerzielle Miniimplantate 38 3.6 Simulationen mit den erstellten FE-Modelle 38 3.6.1 Vergleichsgruppe und 3: Kurzimplantate 38 3.6.2 Vergleichsgruppe und 4: Miniimplantate 40 Ergebnisse 41 4.1 Systematische Untersuchungen 41 4.1.1 Auslenkung der Kurz- und Miniimplantat-Prototypen und entsprechender Standardimplantate 41 4.1.2 Spannung in der Kortikalis am Implantathalsbereich 43 4.1.2.1 Vergleichsgruppe 1: Kurzimplantat-Prototypen 43 4.1.2.2 Vergleichsgruppe 2: Miniimplantat-Prototypen 44 4.1.3 Die Spannung der Implantate im Halsbereich 45 4.1.4 Die Verzerrung in der Spongiosa 46 4.1.4.1 Vergleichsgruppe 1: Kurzimplantat-Prototypen 46 4.1.4.2 Vergleichsgruppe 2: Miniimplantat-Prototypen 47 4.2 Untersuchungen der kommerziellen Implantate 49 4.2.1 Auslenkung der Kurz- und Miniimplantate 49 4.2.2 Spannung in der Kortikalis am Implantathalsbereich der Kurz- und Miniimplantate 50 4.2.2.1 Vergleichsgruppe 3: Kommerzielle Kurzimplantate 50 4.2.2.2 Vergleichsgruppe 4: Kommerzielle Miniimplantate 52 4.2.3 Die Spannung der Implantate im Halsbereich der Kurz- und Miniimplantate 54 4.2.3.1 Vergleichsgruppe 3: Kommerzielle Kurzimplantate 54 4.2.3.2 Vergleichsgruppe 4: Kommerzielle Miniimplantate 55 4.2.4 Verzerrung in der Spongiosa 57 4.2.4.1 Vergleichsgruppe 3: Kommerzielle Kurzimplantate 57 4.2.4.2 Vergleichsgruppe 3: Kommerzielle Miniimplantate 58 Diskussion 60 5.1 Grenzen der Finite-Elemente-Methode 61 5.2 Einordnung der Ergebnisse anhand der Literatur 61 5.2.1 Diskussion der Ergebnisse der Simulationen der Kurzimplantate 62 5.2.2 Diskussion der Ergebnisse der Simulationen der Miniimplantate 64 5.3 Schlussbetrachtung und klinische Empfehlungen 66 Zusammenfassung 68 Literaturverzeichnis 70 Danksagung 82 Einleitung und Literaturübersicht 1.1 Einleitung Durch die Entwicklung neuer Therapiemöglichkeiten im Bereich der dentalen Implantologie kann die Implantat-Versorgung heutzutage auch in atrophierte Alveolarknochenabschnitte ermöglicht werden Um eine möglichst minimalinvasive Versorgung zu gestalten, erfordert die Behandlung im atrophierten Kiefer Kenntnisse der biomechanischen Eigenschaften der Implantate sowie der biologischen Eigenschaften des Knochens Es gibt auf dem Markt zahlreiche Implantate mit unterschiedlichen Ausführungsvarianten für spezifische klinische Anwendungen: Standard-Implantate (Ø ≥ 3,5 mm), kurze Implantate mit großem Durchmesser (Länge ≤ mm) und lange Implantate mit kleinem Durchmesser (Ø ≤ 2,9 mm) Je nach Hersteller sind die Implantate in unterschiedlichen Geometrien, Oberflächengestaltungen, Gewinde-Konfigurationen und Gewindetiefen erhältlich (Abbildung 1) Abb 1: Übersicht einiger verfügbarer kommerzieller Kurz- (obere Reihe) und Miniimplantate (unten Reihe) Während beispielsweise Implantathersteller wie Dentaurum, Straumann®, Sybron Implant Solutions, K.S.I.-Bauer-Schraube, Astra Tech AB, Bicon Dental Implants und Komet Dental neben den Standard-Implantaten auch Kurz- und/oder Miniimplantate anbieten, hat sich die Firma 3M ESPE nur auf Miniimplantate spezialisiert In den letzten Jahren hat sich der Einsatz der numerischen Methoden in der zahnmedizinischen Forschung, besonders in Bereichen der Implantologie, Parodontologie und Kieferorthopädie, zunehmend etabliert In dieser Studie wurden daher mittels numerischer Analyse, den Finite-Element-Methode, die biomechanischen Eigenschaften von noch nicht im Handel erhältlichen kurzen (engl: Shortys) und schmalen Implantaten (engl: Minis) systematisch untersucht Die Ergebnisse wurden zum Schluss mit kommerziellen Standardimplantaten nach ihren klinischen Anwendungen verglichen Genauer wurden die Größenordnung der Auslenkungen von Implantaten sowie das Ausmaß der Verzerrungen und die Höhe und Verteilung der Spannungen im periimplantären Knochen untersucht 1.1.1 Einführung in die Fragestellung Nach Extraktion von einem oder mehreren Zähnen wird eine Reihe intra- und extraalveolärer adaptiver Vorgänge an den beteiligten Hart- und Weichgeweben induziert, welche zur Rückbildung der zahnlosen Kieferkammabschnitte führt (Schropp et al., 2003) Es kommt nun zur Abnahme der vertikalen und horizontalen Dimension des Processus alveolaris Je länger eine Zahnlosigkeit bereits besteht und somit der mechanische Reitz für den Knochen fehlt, desto stärker atrophieren die Alveolarkämme Die Oberkiefer und Unterkiefer-Seitenzahnbereiche sind Abschnitte, in denen Ärzte durch größere anatomische Grenzen mit der Auswahl der geeigneten Implantate eingeschränkt sind Eine extrem reduzierte Alveolarknochenhöhe stellt sehr oft eine Kontraindikation für Implantate dar Um eine Implantation zu ermöglichen, ist eine Mindesthöhe vorausgesetzt Diese kann durch einen weiteren operativen Eingriff, wie Kieferkammaugmentation oder Sinusliftaugmentation, erreicht werden Obwohl diese beiden Verfahren weit verbreitet sind, stellen sie durch die aufwändige Operation, die ausgeprägten postoperativen Beschwerden, die längeren Behandlungszeiten und die höheren Kosten eine große Belastung für die Patienten dar Die reduzierte Kieferkammhöhe im Seitenzahnbereich und damit die Nähe im Oberkiefer zur Nasennebenhöhle und im Unterkiefer zum Alveo- 10 larnerv sind klinische Situationen, in denen kurze Implantate als alternative Behandlungsmöglichkeit in Betracht gezogen werden könnten Zusätzlich zu den Kurz- und Standardimplantaten wurden Implantate mit kleinerem Durchmesser, welche als Minidental-Implantate (MDI) bezeichnet werden, für den Einsatz in Alveolarkammabschnitten mit eingeschränktem Knochenvolumen entwickelt, wie dem Unterkiefer Frontzahnbereich eines atrophierten Kieferkamms Es wurden zahlreiche Publikationen über Implantatlängen als ein entscheidender Faktor bei der Implantatüberlebensrate durchgeführt (Allum et al., 2008; Feldman et al., 2004; Friberg et al., 1991; Gentile et al., 2005; Mericske-Stern, 1994; Renouard und Nisand, 2005; Rokni et al., 2005; Snauwaert et al., 2000; Tawil und Younan 2003; Teixeira et al., 1997; Telleman et al., 2011; van Steenberghe et al., 1990) Diese Studien zeigten widersprüchliche Ergebnisse Während einige über höhere Misserfolgsraten der kurzer Implantate berichteten (Friberg et al., 1991; Grunder et al., 1999; Mericske-Stern, 1994; Tawil und Younan, 2003; Teixeira et al., 1997; van Steenberghe et al., 1990), berichteten andere über hohe Überlebensraten (Feldman et al., 2004; Gentile et al., 2005; Renouard und Nisand, 2005; Rokni et al., 2005; Tawil und Younan 2003) Die Studien, die über günstige Überlebensraten berichtet haben, wurden tendenziell in den letzten Jahren veröffentlicht, was eventuell darauf hinweist, dass die klinische Leistungsfähigkeit von kurzen Implantaten sich im Laufe der letzten Jahre verbessert hat 1.2 Literaturübersicht Diese Studie beschäftigt sich mit der numerischen Untersuchung der Grenzabmaße dentaler enossaler Implantate Es werden sowohl Prototypen als auch kommerzielle Mini- und Kurzimplantate nach biomechanischen Aspekten untersucht und mit Standardimplantaten verglichen Um die Thematik besser verstehen zu können, ist es wichtig, zunächst auf die anatomischen und biomechanischen Grundlagen des Alveolarknochens einzugehen Anschließend wird die Geschichte, Definition, die Biomechanik der Implantate und der Einfluss der Implantatdimensionen auf den periimplantären Knochen erläutert und verschiedene Begriffe, die mit der Implantologie im Zusammenhang gebracht werden, wie die Primärstabilität, Osseointegration und Sofortbelastung definiert 68 Zusammenfassung Ziel dieser Studie war es, unter Zuhilfenahme der FE-Methode den Einfluss der Reduktion von Implantatdurchmesser bzw -länge auf die Primärstabilität bzw Auslenkung der Implantate und der damit entstehenden Spannungen und Verzerrungen im periimplantären Knochen im belasteten Zustand zu untersuchen Diese Arbeit lässt sich in zwei Untersuchungsschritte unterteilen Im ersten Teil wurde eine vergleichende Analyse zwischen Kurz- bzw Minimplantat-Prototypen und entsprechenden konventionellen Implantaten der Firma Deutaurum durchgeführt (Systematische Untersuchung) und im zweiten Teil wurden ausgesuchte kommerzielle Kurz- und Miniimplantate untersucht und jeweils untereinander verglichen Es wurden für die Untersuchungen zunächst idealisierte FE-Knochenmodelle erstellt, die das klinische Haupteinsatzgebiet von Kurz- bzw Miniimplantaten wiederspiegeln Während die Geometrien von Implantat-Prototypen aus der, von der Firma Dentaurum vorgelegten CAD/CAM-Daten erstellt und anschließend in das FE-Programm MSC.Marc/Mentat 2007 importiert wurden, mussten die kommerziellen Implantate zunächst mit dem μCT gescannt werden Die erstellten Schnittbilder der Implantate wurden in ADOR-3D zur Oberflächenmodellen generiert, die anschließend in FE-Programm MSC.Marc/Mentat importiert wurden, wo sie numerisch untersucht wurden In den ersten Vergleichsanalysen lagen die Auslenkungen, die Spannungen in der Kortikalis sowie die Verzerrung der Spongiosa sowohl bei den Kurz- als auch bei Miniimplantat-Prototypen deutlich höher als bei den entsprechenden konventionellen Implantaten, was eine erhöhte Belastung des periimplantären Knochens bedeutet Im zweiten Teil der Untersuchung hatten die kommerziellen Kurzimplantate ohne oder mit einem sehr flachen Schraubendesign eine deutlich höhere Auslenkung als KurzImplantate mit ausgeprägtem schraubendesign Die kommerziellen Miniimplantate hatten höhere Auslenkungswerte bis 799 μm Dieser extrem hohe Wert wurde beim dem längsten Implantat (K.S.I-Bauer-Schraube, 18,5 mm) beobachtet Der periimplantäre Knochen war sowohl bei Kurz- als auch bei Miniimplantaten im großen Ausmaß überlastet Die Spannung in der Kortikalis war bei manchen Kurzimplantaten sogar um das Vierfache (390 MPa bei Straumann® 4,1x6 mm und 429 MPa bei ENDOPORE® 5,0x5 mm) und bei manchen Miniimplantaten um das Zweifache (218 69 MPa bei MDI 1,8x10 und 266 MPa BICORTICAL® 2,5x13 mm) erhöht Überlastung der periimplantären Knochen in diesem Ausmaß ist sicherlich mit lokalen Knochenschädigungen verbunden Die Verzerrungswerte der Spongiosa waren dagegen um fast alle Miniimplantate unterhalb der physiologischen Dehnungsgrenzen, was auf der hohen Knochendichte der Unterkiefer-Frontzahnregion, das Haupteinsatzgebiet von Minimplantaten, zurückzuführen ist Die meisten Miniimplantate haben hohe Spannungswerte in der engsten Stelle des Implantathalsbereiches gezeigt, was dort zur erhöhten Bruchgefahr führt Am höchsten war die Spannung bei den schmalsten Implantaten (1150 MPa bei MDI 1,8 und 1100 MPa bei 2,1 mm) und am niedrigsten bei MDI 2,4x13 (443 MPa) Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass in Abhängigkeit der Implantatdurchmesser, Implantatgeometrie und Gewindegestaltung, es durchaus Sinn macht, Kurz- bzw Miniimplantate bei unzureichendem Knochenangebot und Gefahr der Verletzung wichtiger anatomischer Strukturen zu nehmen Allerdings müssen Kurzimplantaten über gut ausgeprägtes tiefes Gewinde verfügen, um höhere Auslenkungen und somit Überlastungen des periimplantären Knochen zu vermeiden Bei Miniimplantaten können höhere Auslenkungen durch die Insertion in Kieferregionen mit hoher Knochendichte (Unterkiefer-Frontzahnregion) vermieden werden Da bei den Miniimplantaten ein erhöhtes Frakturrisiko besteht, sollten sie keinen großen Belastungen ausgesetzt werden 70 Literaturverzeichnis Adell R, Lekhom U, Rockler B, Brånemark PI A 15-year study of osseointegrated implants in the treatment of the edentulous jaw Int J Oral Surg 1981; 10: 387-416 Adell R, Lekholm U, Brånemark PI Das chirurgische Vorgehen In: Branemark PI, Zarb GA, Albrektsson T, Hrsg Gewebeintegrierter Zahnersatz Berlin: Quintessenz, 1985: 207-228 Adell R, Lekholm U, Rockler B, Brånemark PI, Lindhe J, Eriksson B, Sbordone L Marginal tissue reactions at osseointegrated titanium fixtures Int J Oral Maxillofac Implants 1986; 15: 39-52 Albrektsson T, Zarb G, 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Modelle handelt, wurde in dieser Studie der Tetraeder-ElementTyp (4-Knoten) für die Generierung ausgewählt Die Kortikalis und die Spongiosa wurden miteinander durch die Verbindung der Knoten an der Übergangfläche fixiert 3.4 Erstellung der Finite-Elemente-Modelle der Implantat-Prototypen Die Geometrien der systematisch untersuchten Implantate wurden aus den von der Firma Dentaurum zur Verfügung gestellten... Knochen, 3 die Spannung am Implantat im Bereich der Kortikalis und 4 die Verzerrungen in der Spongiosa Folgende Fragen sollten dabei beantwortet werden: 1 Ist bei einer Belastung der Implantate die Auslenkung der Implantate bei kurzen oder langen Implantaten größer? 2 Gibt es einen Zusammenhang zwischen der Belastung der Implantate und den Mikrobewegungen der Implantate? 3 Lässt sich ein Zusammenhang... Dieser beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers bei linear elastischem Verhalten Je grösser der E-Modul ist, desto höher der entgegengesetzte Widerstand bei Krafteinwirkung Ein Körper ist also umso steifer, je höher der E-Modul und umgekehrt Der E-Modul ist bei Knochen von der Richtung der 15 Krafteinwirkungen abhängig und wird somit als anisotrop... diesem Teil der Studie wurden für die numerische Analyse der MiniimplantatPrototypen acht FE-Miniimplantatmodelle und zum Vergleich sechs FE-Modelle der entsprechenden Standard-Implantate erstellt In Tabelle 10 sind die MiniimplantatPrototypen- und die als Referenz verwendeten Standardimplantatmodelle nach der Anzahl der Knoten und Elementen aufgelistet: Modelle Anzahl der Knoten Anzahl der Elemente... oder alloplastisches Material (Elfenbein, Perlmutt) zu ersetzen, Jedoch stand bei diesem Ersatz lediglich die Ästhetik, nicht aber die Wiederherstellung der Kaufunktion im Vordergrund Die Anfangs des 19 Jahrhundert überwiegend aus alloplastischen Materialien (Platin, Silber, Gold, Blei, Porzellan) eingesetzten wurzelförmigen Implantate, die direkt nach der Extraktion in die Alveole (Berry, 1888) oder... Misserfolgen nach der Implantation kommen Der umgebende Knochen um die Implantate kann durch viele Faktoren beeinflusst werden Dazu gehören chirurgische Traumata, Implantataufbau, bakterielle Infektionen der periimplantären Gewebe und biomechanische Faktoren im Zusammenhang mit der Belastung Zu den Faktoren, die die Lastübertragung an der KnochenImplantat-Schnittstelle beeinflussen, gehören die Art der Belastung,... Eigenschaften unterscheiden und über die Endknoten jedes Elements in Form von Netzen miteinander verbunden werden (Abbildung 6) Um eine realitätsnahe Analyse zu ermöglichen ist eine Generierung dreidimensionaler Modelle erforderlich Sie werden durch das Vernetzen von 3DEinzelelementen, wie z B Tetraedern, Pentaedern oder Hexaedern, zusammengesetzt Nachdem die Generierung des Modells abgeschlossen ist, sind Werkstoffkennwerte... loading“) wird die direkte Eingliederung der Suprakonstruktion am selben Behandlungstag, innerhalb von vierundzwanzig Stunden oder auch bis eine Woche nach der Implantation verstanden Die Suprakonstruktion kann 21 eine provisorische oder definitive prothetische Versorgung sein, die Okklusionskontakte mit den Antagonisten aufweist Wenn das Implantat zwar unmittelbar nach der Insertion mit einem Provisorium,... sind das hohe Frakturrisiko während der Implantation, die notwendige Parallelität aufgrund der Einteiligkeit der Implantate, mangelhafte Kühlung des Knochenlagers während der Implantatbohrung, mangelhafte Beurteilung unsicherer knöcherner Verhältnisse unter der Schleimhaut und die Notwendigkeit einer Augmentation (Bidra, 2011; Bidra und Almas, 2013) Eine Erhöhung der Bruchstabilität von Miniimplantaten... Implantats und der Prothese, die Implantatgeometrie, die Oberflächenstruktur und vor allem die Qualität und die Menge des Umgebungsknochens Der Erfolg des Implantates hängt zusätzlich vom Allgemeinzustand der Patienten ab In bestimmten Fällen darf ein Implantat nicht eingesetzt werden, wie z B bei Patienten mit nicht eingestelltem Diabetes mellitus oder während einer Bestrahlung des Kieferknochens oder Chemotherapie ... Grenzen der Finite-Elemente-Methode 61 5.2 Einordnung der Ergebnisse anhand der Literatur 61 5.2.1 Diskussion der Ergebnisse der Simulationen der Kurzimplantate 62 5.2.2 Diskussion der. .. Systematische Untersuchungen 4.1.1 Auslenkung der Kurz- und Miniimplantat-Prototypen und entsprechender Standardimplantate Die maximale Auslenkung der Implantate bei der Belastung an der angenommenen... Darstellung der Spannungswerte der tioLogicâ-Kurzimplantate und der entsprechenden Standardimplantate B: Spannungswerte der Miniimplantate und der entsprechenden Standardimplantate der tioLogicâ-